Neuvěřitelný mikroskop vidí atomy s rozlišením záznamu

Tento obrázek ukazuje elektronptychografickou rekonstrukci krystalu praseodia orthoscandate (PrScO3), který byl zvětšen 100 milionůkrát. Fotografický kredit: Cornell University

V roce 2018 výzkumníci společnosti Cornell vytvořili výkonný detektor, který v kombinaci s algoritmickým procesem zvaným ptychografie vytvořil světový rekord ztrojnásobením rozlišení nejmodernějšího elektronového mikroskopu.

Jakkoli byl úspěšný, měl tento přístup slabost. Fungovalo to pouze s ultratenkými vzorky o tloušťce několika atomů. Cokoli silnější by způsobilo, že se elektrony rozptýlí způsoby, které nelze oddělit.

Nyní tým vedený Davidem Mullerem, profesorem inženýrství Samuela B. Eckerta, překonal svůj vlastní rekord dvojnásobně pomocí detektoru elektronového mikroskopického pixelového pole (EMPAD), který obsahuje ještě propracovanější 3D rekonstrukční algoritmy.

Rozlišení je tak jemně vyladěné, že je rozmazané pouze tepelné kolísání samotných atomů.

Článek skupiny „Electronptychography Reaches Limits for Atomic Resolution by Lattice Vibrations“ publikovaný v Science 20. května. Hlavním autorem práce je postdoktorandský výzkumník Zhen Chen.

„Tím se nejen vytvořil nový rekord,“ řekl Müller. “Bylo dosaženo režimu, který je ve skutečnosti konečným limitem řešení.” V zásadě nyní můžeme velmi jednoduchým způsobem zjistit, kde se atomy nacházejí. Tím se otevírá spousta nových možností měření pro věci, které jsme chtěli dělat po dlouhou dobu. Rovněž řeší dlouhodobý problém – zrušení vícenásobného rozptylu paprsku ve vzorku, který vytvořil Hans Bethe v roce 1928 -, který nám v tom v minulosti bránil. “

V ptychografii se překrývající se rozptylové vzory skenují ze vzorku materiálu a hledají se změny v překrývající se oblasti.

„Lovíme skvrnité vzory, které jsou velmi podobné vzorům laserového ukazovátka, které kočky stejně fascinují,“ řekl Müller. “Když vidíme změnu vzoru, můžeme vypočítat tvar objektu, který způsobil vzorec.”

Detektor je mírně rozostřený a rozostří paprsek, aby zachytil co největší plochu dat. Tato data jsou poté rekonstruována pomocí složitých algoritmů, což vede k vysoce přesnému obrazu s přesností jednoho pikometru (jedna biliontina metru).

„S těmito novými algoritmy můžeme nyní opravit veškeré rozmazání v našem mikroskopu do té míry, že největším zbývajícím faktorem rozmazání je skutečnost, že samotné atomy se vlní, protože to je přesně to, co se děje s atomy při konečné teplotě,“ řekl Müller. „Když mluvíme o teplotě, ve skutečnosti měříme průměrnou rychlost, s jakou se atomy vlní.“

Vědci mohli potenciálně znovu překonat svůj rekord použitím materiálu složeného z těžších atomů, který se méně kolísá, nebo ochlazením vzorku. Ale i při nulové teplotě mají atomy stále kvantové výkyvy, takže zlepšení by nebylo příliš velké.

Tato nejnovější forma elektronové ptychografie umožňuje vědcům lokalizovat jednotlivé atomy ve všech třech rozměrech, pokud by je jinak bylo možné skrýt jinými zobrazovacími metodami. Vědci budou také schopni najít atomy nečistot v neobvyklých konfiguracích a mapovat je a jejich vibrace jednotlivě. To by mohlo být zvláště užitečné při zobrazování polovodičů, katalyzátorů a kvantových materiálů – včetně těch v Kvantové výpočty – stejně jako pro analýzu atomů na hranicích, kde jsou materiály navzájem spojeny.

Zobrazovací metodu lze také použít na tlusté biologické buňky nebo tkáně nebo dokonce na synapse v mozku – to, co Müller nazývá „Connectomics on Demand“.

I když je tento proces časově náročný a výpočetně náročný, mohl by být zefektivněn výkonnějšími počítači v kombinaci se strojovým učením a rychlejšími detektory.

„Chceme to aplikovat na všechno, co děláme,“ řekl Mueller, spoluředitel Kavli Institute v Cornellu pro Nanoscale Science a spolupředseda Task Force Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), součást Radical Collaboration -Cornellova iniciativa. “Zatím jsme všichni nosili opravdu špatné brýle.” A teď vlastně máme opravdu dobrý pár. Proč nechcete sundat staré brýle, nasadit si nové a používat je pořád? “

Odkaz: „Elektronová pichografie dosahuje mezí atomového rozlišení určeného mřížkovými vibracemi“, kterou napsali Zhen Hen, Yi Jiang, Yu-Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michal Odstrcil, Manuel Guizar-Sicairos, Isabelle Hanke, Steffen Ganschow a Darrell G. Schlom a David A. Mull, 21. května 2021, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Spoluautoři jsou Darrell Schlom, profesor průmyslové chemie Herberta Fiska Johnsona; Yi Jiang, Ph.D. ’18 a nyní vědecký pracovník paprskových dat v Argonne National Laboratory; Postdoktor Yu-Tsun Shao a Megan Holtz, Ph.D. ’17; a vědci z Institutu Paula Scherrera a Leibnizova institutu pro růst krystalů.

Výzkum byl podpořen Národní vědeckou nadací prostřednictvím platformy Cornell pro urychlenou realizaci, analýzu a objev mezifázových materiálů (PARADIM). Výzkumníci také využili Cornellovo centrum pro výzkum materiálů, které je podporováno programem NSF pro vědu a inženýrství v materiálovém výzkumu.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.